直流电机工作原理

第二章直流机电概述

2.1直流机电的工作原理

2.

1.1首先，复习公式，说明正比于结合图解释几e=B lve B

2.1v=2Rn/60m/s,nr/min;机械角速度兀电角速度

①兀记下来；导Q=v/R=2n/60r/s;°=p Q=p2n/60rad/s体或者线圈将直流机电的简单工作原理图结构介绍清晰包括、磁极和、电刷静止，N SA B换向片、线圈导体以及电枢逆时针旋转将其抽象成一个平面图假设磁力线进入磁极其正方向，离开磁极的磁通方向为负得气隙磁密在空间得分布曲线进而得到导体电势和线圈电势B000=3t2n esteGto o5AB经过合理的多个线圈均匀分布设计，按照一定规律连接起来就组成电枢绕组，便可以获得近似直流电动势工作原理发机电电枢绕组中感应的交变电势，依靠换向器的换向作用，利用静止的电刷把同1一磁极下导体电势引出，变为直流电势输出发机电惯例电动机通过电刷和换向器的共同作用，使得同磁极下的导体边流过的电流方向不变，2导体受力方向不变，进而产生方向恒定的电磁转矩，使机电连续转动结论机电内部电刷为界，线圈中产生的感应电势、流过的电流是交流量1机电外部电刷两端，电动机运行外加直流电；发机电运行输出直流电°2是可逆的电动机惯例4Motor从原理上讲，同一台机电既可以作电动机运行又可以作发机电运行，3发机电惯例特性u R+Ri T n=a-----------21T Ra+Rj印lx RJ VIm VUnem CkC E0C2em1T ECE串励电动机

2.若磁路不饱和，为常数，转矩增加转速明显降低；k若磁路饱和，非常数，磁通变化幅度不大，转矩增加，电枢电流增加，转速降低k无论何种励磁方式，当增加电枢回路的电阻时，机械特性变坏，向下挪移直流机电的换向简介

2.7换向是所有安装换向器的机电存在的一个特殊问题，对机电正常运行有很大影响主要介绍有关换向的基本概念及改善换向的措施；介绍无刷直流电动机换向绕组元件电流方向的强迫改变换向过程当电刷从换向片过渡到换向片时，元件中的电流回从十至或者反之12U-换向时间秒

0.0005~

0.002换向危害换向不良会造成电刷下面浮现火花，严重时会烧毁电刷和换向器产生火花原因电磁性原因附加换向电流，电刷下电密分布不均1机械原因机电振动，换向器偏心，结构不良导致电刷与换向器接触2不好化学原因换向器表面的氧化膜被腐蚀破坏引起火花3改善换向的目的消除电刷下的火花改善换向的措施安装换向极；挪移电刷；选择合适的电刷此外为防止换向器产生环火，还要安装补偿绕组换向极绕组和补偿绕组都是和电枢绕组串联在一起的无刷直流电动机采用电子换向装置取代机械换向器和电刷，避免电刷与换向器间的滑动接触直流机电的主要结构部件

2.

1.2「主磁极、换向极「定子一一起机械支撑，产生磁场的作用［机座、端盖、电刷、轴承J直流机电结构I气隙----------耦合磁场转子一一产生电磁转矩、产生感应电势/电枢铁心和电枢绕组换向器、I转轴、风扇部件名称作用材料结构主磁极励磁绕组通入直流，建立气隙磁1-

1.5mm低碳钢片叠P43Fig.

2.8制，降低涡流损耗场换向极改善换向整块钢或者Fig

2.91-

1.钢片叠制5mm机座机械支撑并构成磁回路铸钢小机电,厚钢板P43Fig

2.10焊接大中型机电电枢铁心构成磁路、嵌放电枢绕组概述硅P44Fig.

0.35-

0.5mm钢片叠制，降低涡流损

2.11耗电枢绕组感应电势，承载电流，产生转矩圆截面铜线或者扁导Fig.

2.12线、空心导线换向器与电刷配合，用机械换接的方法铜换向片和片间绝缘Fig

2.13引入出直流电势云母构成换向片电刷装置与换向器配合，实现直流量和交石墨碳刷流量之间的转换直流机电的额定值

2.

1.3额定值指机电正常运行时各物理量的数值此时亦称机电满载运行否则为欠载或者过载额定功率:指输出功率w,kWo发机电P=U I电动机P=n U IN N N NNN额定电压力V额定电流h A额定励磁电压UfNV额定励磁电流片A额定转速n r/m niN

2.2直流机电的电枢绕组基本特点

2.

2.1设计绕组（线圈、电枢）时，主要考虑产生较大的感应电势和通过一定大小的电流直流机电有五种单叠、复叠、单波、复波、蛙绕组单叠绕组

2.

2.2单叠绕组绕制时，任何两个串联的元件都是后一个紧叠在前一个的上面每绕一个元件便在电枢表面移过一个虚槽例题（）已知机电极数且绕制一个单叠右行整距绕组

2.3p492P=4,Z=Z S=K=16oi=）节距计算1单叠右行，合成节距第一节距第二节距）绕组连接表确定个元件（个元件边）的串联次序21632编号原则槽号代表元件号也代表上元件边号连接方法某号元件上元件边号嵌放在槽内，上元件边接在号换m,m,m m向片上；该元件的下元件边嵌放在编号槽的下面，下元件边m+y1接在号换向片上而为槽接另一个元件的上层边，编m+yk m+号为以下类推m yy o+l+2连接规律实线表示一个元件的上、下元件边；虚线表示不同元件的两个元件边接在同一个换向片上m+%\/ni+y+y21）绕组展开图首先进行槽编号按照连接规律把各元件边嵌入樽内所有元件串联自行3闭合一判断电动势方向，可见、、、元件被短路了15913）电路图4）电刷放置5）电枢绕组形成一个闭合回路，绕组产生的电动势要靠电刷引出（入）a）电刷放在换向器上的位置是根据机电空载时，在正、负电刷之间获得最大电动势为b原则）电刷与感应电动势为零的元件边连接的换向片接触，否则不能保证）的要求，并c b且如果感应电动势不为零的话，还会产生短路电流）只要元件轴线与主磁极轴线重合，元件中的电动势就是零d）电刷必须放在换向器的几何中性线上e元件端接对称时，主磁极轴线、元件轴线、换向器的几何中性线重合元件端接不对称时，主磁极轴线、元件轴线重合，但与换向器的几何中性线不重合，电刷必须放在换向器的几何中性线上注意它与电枢上得几何中性线无关）叠绕组的电刷数=极数f）根据电路图，将同极性端接在一起，得电枢电动势g）绕组并联支路数6单叠绕组双叠绕组（）a=p or2a=2p a=m*p m=2or2a=2mp单叠绕组特点）电枢绕组是一个自行闭合绕组1）单叠绕组并联支路数=极数=电刷数（双叠绕组极数=电刷数=并联支路数2）/2）电枢电势就是支路电势，电枢电流是个支路电流的和32P）电刷放在换向器上的几何中性线上4）电刷和磁极是静止的，必须把它们的相对位置合理对称的分布在圆周上电枢和换向器5旋转）适合于大电流的机电6单波绕组

2.

2.3单波绕组特点）电枢绕组是一个自行闭合绕组1）电刷放在主磁极轴线下的换向片上2）单波绕组的支路数与极数无关，总有两个支路，即3a=1or2a=2）电刷数等于极数（是为了减低电刷下的电流密度）4）电枢电势就是支路电势，电枢电流是个支路电流的和52）因为每条支路元件数多，可以获得高电势，适合于小电流高电压的机电6）单波绕组连接规律7绕组总结）要根据机电额定电压或者电流要求选择绕组形式（叠--大电流，波--高电压，蛙绕组1-大型机电））电枢闭合2）电枢电势就是支路电势3）电枢电流是各支路电流的总和4）电刷放在换向器上的几何中性线上（电刷放在主磁极轴线下的换向片上----对端接对称5的绕组））单叠绕组将每一个极下的所有元件串联形成一个支路，62p=2a）单波绕组将所有同极性磁极下的所有元件串联形成一个支路，72a=2电枢绕组的均压线

2.

2.4为了避免由于电、磁不平衡、不对称导致支路间的环流，将理论上电位相等的点用均压线连接起来直流机电的磁场

2.3直流机电按励磁方式分类

1.

3.1给励磁绕组的供电方式，即励磁方式，有四种他励、并励、串励、复励直流机电的空载磁场

2.

3.2空载磁场也叫主磁场，是当电枢电流为零，仅由励磁电流建立的磁场（挂图））磁通与磁动势1主磁通经过气隙，且同时与励磁绕组和电枢绕组交链的磁通，亦称为工作海磁通不经过气隙，仅与绕组自身交链的磁通，其不参预机电能量转换则每极总磁通为）m=o+”°=J@O=k为主磁极漏磁系数，其值范围k

1.15-

1.25假设每极磁通为6°,则每对极所需要的磁势为匕F=^）H.dl=2l N=2F+F.+2F+F+201f f6j mnaZ式中各量挨次为气隙磁势、定子辗、定子齿、转子转、转子齿（见图））主2282磁场分布根据知气隙磁密与气隙长度成反比根据磁极形（）（）（）B x=H x=p,6xM0000状可以知道磁场分布气隙磁密在一个极下分布规律为平顶波）磁化曲线指机电的主磁通与励磁磁动势的关系曲线它与铁磁材料的磁化曲360F线形状相类似主磁通与气隙磁动势的关系曲线称为气隙线性磁化e0F曲线°机电磁路的饱和程度用饱和系数反映它是空载额定转速下运行产生额定电枢电压时所需要的磁动势与气隙磁动势之比（数值范围）k

1.1-

1.35M F6过饱和，浪费铜节省铁磁材料，电阻损耗增加；饱和系数小，浪费铁省铜材料，铁耗增加合适的额定工作点应该设计在“膝点”附近例题（）

2.5p59直流机电的电枢磁场

2.

3.3当电枢电流不是零时，绕组中的电流也会产生磁场，称其为电枢磁场I电刷在几何中性线上（图）

1.

2.33电枢磁势（），）F x=2xA=Axa称其为交轴电枢磁势，另记为F（x）=AL F=A T/2码，a,2电枢磁场产生的磁通密度沿着气隙的分布为B（x）^H（x）=uF（X）a—（B与X成反比）a0a0电刷偏离几何中性线，电枢电流除了产生交轴电枢磁动势外，同时还浮现了直轴电枢磁

2.动势电枢反应

2.

3.4机电负载后，电枢电流不是零，产生电枢磁场此时气隙磁场由直流励磁磁场和电枢磁场共同建立并且把电枢磁场对励磁磁场的作用称为电枢反应电枢磁场的交轴分量对励磁磁场的作用与影响称为交轴电枢反应电枢磁场的直轴分量对励磁磁场的作用与影响称为直轴电枢反应交轴电枢反应

1.结合空载时的磁场分布（几何中性线）和负载时的磁场分布（物理中性线），交轴电枢反应对气隙磁场的影响）使物理中性线偏离几何中性线一个角度（见笔记上的图）1）不考虑饱和影响时，每一个主极下的磁场一半被削弱，另一半被加强,每极下2总磁通不变）考虑饱和时，由于交轴电枢反应的作用，对被削弱的一半磁场影响不大，而被3加强的另一半的磁场浮现了饱和的情况，曲线的尖顶部分被削弱了，使得每一个磁极下的磁通减少了，并且磁场波形发生畸变即饱和时，磁场畸变，且有去磁作用）通过增加主极磁势补偿电枢反应的去磁影响4直轴电枢反应（以电动机为例）

2.）电动机时，电刷逆着电枢转向挪移，直轴电枢反应磁势与主极磁势相反，1是去磁的；顺转向挪移助磁）发机电时，电刷逆着电枢转向挪移一个角度，助磁的电枢反应;2逆转则去磁感应电动势和电磁转矩

2.

3.5感应电动势

1.设电枢绕组在电枢表面连续分布，总导体数为％,支路数为则每一个支路有导体2a,个数为图中某点处，气隙磁密为（）单根导体感应电动势为N/2a xB x,oe BX）lvk=/电枢电动势（电刷上引出（入））为E春=端±务B6X=IvB4/l2p*0n=C OnE上式就是直流电机电枢绕组感应电动势的普通计算公式电动势常数C=pN/60aE a电磁转矩

2.设电枢电流为则支路电流为根导体所产生的电磁转矩为i=L/2a,M k出工/工兀每极下导体产生的T=B xliD/2=B0xl IJ2a4B,xl pl/2ak a aa电磁转矩为=》「丁」叫二£T2PBx/0B❷0P k2na62na2p av2na2p ITk=1k=1个磁极的合成电磁转矩为2po-TnN0丁八八|噂不丁耳］G=2pTp=2p上式就是直流电机电磁转矩的普通计算公式转矩常数,者机电常数C=pN/2n aTa电动势常数与转矩常数的关系

3.=兀因止匕

①C/C=JI/30;and2“n/60=n/30E=CE TT例题

2.6p68直流电动机的基本特性

4.5基本方程（并励电动机为例）

2.

5.1电动势平衡方程式（电压定律）

1.）稳态时1U=E+l Raa暂态时2diU=E+IR+L-ra aa dtdi+L-f dt功率平衡方程式功率流程图.

2.H PemP Pi12P一FePadPmec—PcufPcua PcubP2发机电♦图中各项损耗有电枢铜耗电刷铜耗励磁绕组铜耗机械损耗，包括轴承、电刷磨擦损耗，pmec定转子空气磨擦损耗，通风损耗\7\!/\/铁心损耗，主极磁通在转动的电枢铁心中交变，引起磁滞和涡流损耗56杂散损耗，附加损耗估算为

0.5〜1%PN其中，后三项损耗在机电空载时就已经存在，且数值基本不变，称为空载损耗或者不变损耗所以1em cuacub cutP=P+p+p+p=P+p rm2\^mec Fead20隹+乙P结合等效原理图分析知，机电输入功率为P1=UI将稳态时的电压电流带入上式得P1=Ela+la2Ra+Ulf=Pem+Pcua+Pcuf=Pem+%其中，定义电磁功率为电枢绕组感应电动势与电枢电流的乘积E1输出与输入功率的比值，即「v=P2=P Zp=l_2p x100%电动机效率:T PT-111转矩平衡方程式

3.稳态暂态T=T+T0T=T+T Jd Q/dtem2em2O+状态方程略

4.工作特性

2.

5.2工作特性电源电压一定，励磁电阻一定时，、、的关系曲线n nTem=fP2一并励电动机条件下并励电动机励磁绕组绝对不能断开UN IfN速率特性

1.n=fP2UI R n=■a aco转速调整率编n』工■》100%nNe转矩特性

2.T=fp em2PP

603.效率特性114俨275〜95%二串励电动机条件下不允许空载运行，至少带四分之一负载启动UN特点|=|4=kl=klfU-1R U_IR一丁二丁速率特性-5n=fP n2T=C01=C kl2em Ta Tac oe转速调整率n/_n编n=~——L100%%转矩特性

1.T=fP em2优点起动转矩大；输出功率基本不变；机电不容易过载三复励电动机略机械特性

2.

5.3机械特性当时，称为自然机械特性n=f TU=UNRf,Ra n=fTgem当为某值,时，称为人工机械特性U Rf,Ra+Rj n=fTem普通有二-尸~-n aTa Ja jc4c.4c c02emE并励电动机

1.3二T=n-kT随着电枢串电阻，机械特性变软凡=0为硬CU CC02©m0jem JEET。